KR20050006323A - 시점-의존 처리를 이용한 3차원 노말 메쉬 데이터 압축 및전송 장치 - Google Patents

시점-의존 처리를 이용한 3차원 노말 메쉬 데이터 압축 및전송 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 준-균일 메쉬 구조를 갖는 3차원 노말 메쉬 데이터를 사용자의 시점을 고려하여 효율적으로 압축하고 전송하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 제공되는 불규칙한 메쉬를 준-균일 메쉬로 리메싱하는 노말 리메싱부와, 상기 노말 리메싱부로부터 제공되는 준-균일 메쉬를 웨이블릿 분해변환해서 기저 메쉬와 상위 레벨의 웨이블릿 계수들로 분해하는 웨이블릿 분해변환부와, 상기 웨이블릿 분해변환부로부터 제공되는 기저 메쉬를 불규칙한 기저 메쉬 부호기들을 이용하여 압축하는 기저 메쉬 부호기와, 상기 웨이블릿 분해변환부로부터 제공되는 상위 레벨의 웨이블릿 계수들을 여러 세그멘트들로 독립적으로 나누는 세그멘트 독립분할부와, 상기 세그멘트 독립분할부로부터 제공되는 다수의 세그멘트들을 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화하는 SPIHT 부호기와, 상기 SPIHT 부호기로부터 제공되는 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화된 각 세그멘트에 상대 복호기에서 전송된 사용자의 시점 정보를 사용하여 시점-의존 측면에서 최적의 비트량을 각각 할당하는 시점-의존 비율-왜곡 최적화부와, 상기 시점-의존 비율-왜곡 최적화부로부터 제공되는 최적의 비트량이 각각 할당된 각 세그멘트를 아리스메틱 코더를 사용하여 압축하는 엔트로피 부호기를 포함한다.

Description

시점-의존 처리를 이용한 3차원 노말 메쉬 데이터 압축 및 전송 장치{3-DIMENSION NORMAL MESH DATA COMPRESSION AND TRANSMISSION APPARATUS BY USING VIEW-DEPENDENT PROCESSING}
본 발명은 시점-의존 처리(view-dependent processing)를 이용하여 준-균일 메쉬(semi-regular mesh) 구조를 갖는 3차원 노말 메쉬(normal mesh) 데이터를 사용자의 시점을 고려하여 효율적으로 압축하고 전송하는 장치에 관한 것이다.
3차원 데이터 압축은 3차원 모델을 유무선 인터넷(internet)을 통해서 전송하는데 필요한 핵심 기술이다. 특히, 점진적 압축(progressive compression) 기법은 데이터를 낮은 해상도에서부터 높은 해상도로 순차적으로 복원하는 것이 가능하기 때문에 방대한 3차원 데이터의 쌍방향 전송에 매우 유용하다. 3차원 물체의 모델링에 널리 쓰이는 기법 중 하나인 삼각형 메쉬(triangular mesh)는 메쉬를 구성하는 꼭지점들 사이의 연결 정보(connectivity data)와 꼭지점의 위치에 해당하는 형상 정보(geometry data)로 이루어진다. 이러한 삼각형 메쉬에 대한 점진적 부호화는 활발히 연구되어왔다.
최근에는 불규칙한 메쉬를 준-균일 메쉬로 바꾸는 리메싱(remeshing) 기술을 점진적 압축에 사용하는 연구가 이루어졌다. 리메싱은 도 1a와 같은 불규칙한 메쉬의 삼각형 수를 줄여 도 1b와 같은 간략화된 기저 메쉬를 만든 후에 도 2와 같이 하나의 삼각형을 4개의 삼각형으로 분할하는 서브디비전(subdivision) 과정을 기저 메쉬에 반복적으로 수행하여 도 1c와 같은 준-균일 메쉬를 생성하는 일련의 과정을의미한다. 준-균일 메쉬에서는 대부분의 꼭지점들이 여섯 개의 인접한 꼭지점들과 연결되어 있기 때문에, 연결 정보가 거의 필요하지 않고, 형상 정보도 규칙적인 연결 구조를 이용하여 간략하게 표현할 수 있다. 도 2에서 l레벨에서 l+1레벨로 세밀화 될 때, 새롭게 삽입되는 꼭지점의 위치 정보는 하위 레벨의 꼭지점들의 위치로부터 예측한 오차로 나타낼 수 있고, 이 예측 오차를 웨이블릿(wavelet) 계수로 보고 2차원 영상 압축에 사용하는 제로트리(zerotree) 부호화 알고리듬을 이용하여 효율적으로 압축할 수 있다.
준-균일 메쉬의 특별한 예로 노말 메쉬가 있다. 노말 메쉬는 리메싱 과정을 통해서 새롭게 삽입되는 꼭지점들의 웨이블릿 계수를 3차원 모델의 표면 방향의 변위만으로 표현함으로써 준-균일 메쉬에 비해 부호화 효율을 더욱 높일 수 있다.
준-균일 메쉬, 특히 노말 메쉬를 부호화하는 기존의 기법은 우수한 압축 성능을 나타낸다. 그러나 인터넷 기반의 3차원 데이터 전송 시 서버-사용자(server-client) 간 효율적인 상호 통신(interactive communication)을 가능하게 하기 위해서는 높은 압축률 이외에 압축된 데이터의 전송 방법에 대한 고려도 필요하다.
본 발명은 상술한 결점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 준-균일 메쉬 구조를 갖는 3차원 노말 메쉬 데이터를 사용자의 시점을 고려하여 효율적으로 압축하고 전송하는 시점-의존 처리를 이용한 3차원 노말 메쉬 데이터 압축 및 전송 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 3차원 노말 메쉬 데이터를 압축및 전송하는 장치로서, 제공되는 불규칙한 메쉬를 준-균일 메쉬로 리메싱하는 노말 리메싱부와, 상기 노말 리메싱부로부터 제공되는 준-균일 메쉬를 웨이블릿 분해변환(analysis transform)해서 기저 메쉬와 상위 레벨의 웨이블릿 계수들로 분해하는 웨이블릿 분해변환부와, 상기 웨이블릿 분해변환부로부터 제공되는 기저 메쉬를 불규칙한 기저 메쉬 부호기들을 이용하여 압축하는 기저 메쉬 부호기와, 상기 웨이블릿 분해변환부로부터 제공되는 상위 레벨의 웨이블릿 계수들을 여러 세그멘트들로 독립적으로 나누는 세그멘트 독립분할부와, 상기 세그멘트 독립분할부로부터 제공되는 다수의 세그멘트들을 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화하는 SPIHT 부호기와, 상기 SPIHT 부호기로부터 제공되는 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화된 각 세그멘트에 상대 복호기에서 전송된 사용자의 시점 정보를 사용하여 시점-의존 측면에서 최적의 비트량을 각각 할당하는 시점-의존 비율-왜곡 최적화(rate-distortion optimization)부와, 상기 시점-의존 비율-왜곡 최적화부로부터 제공되는 최적의 비트량이 각각 할당된 각 세그멘트를 아리스메틱 코더(arithmetic coder)를 사용하여 압축하는 엔트로피 부호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1a는 불규칙한 메쉬를 나타낸 도면,
도 1b는 간략화된 기저 메쉬를 나타낸 도면,
도 1c는 준-균일 메쉬를 나타낸 도면,
도 2는 1-4 서브디비전을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 시점-의존 처리를 이용한 3차원 노말 메쉬 데이터 압축 및 전송 장치의 일 실시예를 나타낸 블록도,
도 4는 도 3에서 압축된 데이터를 복호화하는 복호기의 일 실시예를 나타낸 블록도,
도 5는 기존 에지-기반의 제로트리 계층구조의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 6은 하나의 시점에 대한 시점-의존 처리를 나타낸 도면,
도 7a는 버터플라이 서브디비전 구조와 가중치를 나타낸 도면,
도 7b는 l레벨의 꼭지점이 영향을 미치는 l+1레벨의 꼭지점들을 나타낸 도면,
도 8a는 가위 형태의 제로트리 구조를 나타낸 도면,
도 8b는 화살 형태의 제로트리 구조를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 시점-의존 처리를 이용한 3차원 노말 메쉬 데이터 압축 및 전송 장치의 일 실시예를 나타낸 블록도로, 노말 리메싱부(301), 웨이블릿분해변환부(302), 기저 메쉬 부호기(303), 세그멘트(segment) 독립분할부(304), SPIHT 부호기(305), 시점-의존 비율-왜곡 최적화부(306), 및 엔트로피 부호기(307)로 구성된다.
동 도면에 있어서, 노말 리메싱부(301)는 제공되는 불규칙한 메쉬를 준-균일 메쉬로 리메싱하여 웨이블릿 분해변환부(302)로 입력 즉, 시점-의존 압축 및 전송 장치 부호기로 입력한다.
웨이블릿 분해변환부(302)는 노말 리메싱부(301)로부터 받은 준-균일 메쉬를 웨이블릿 분해변환해서 기저 메쉬와 상위 레벨의 웨이블릿 계수들로 분해하여 기저 메쉬 부호기(303)로 기저 메쉬를 제공하고 세그멘트 독립분할부(304)로 상위 레벨의 웨이블릿 계수들을 제공한다.
기저 메쉬 부호기(303)는 웨이블릿 분해변환부(302)로부터 제공되는 기저 메쉬를 기존의 불규칙한 기저 메쉬 부호기들을 이용하여 압축하고 전송한다.
세그멘트 독립분할부(304)는 웨이블릿 분해변환부(302)로부터 제공되는 상위 레벨의 웨이블릿 계수들을 여러 세그멘트들로 독립적으로 나누어 SPIHT 부호기(305)로 제공한다.
SPIHT 부호기(305)는 세그멘트 독립분할부(304)로부터 제공되는 다수의 세그멘트들을 기존의 2차원 영상 부호화에 널리 사용되는 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화하여 시점-의존 비율-왜곡 최적화부(306)로 제공한다.
시점-의존 비율-왜곡 최적화부(306)는 SPIHT 부호기(305)로부터 제공되는 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화된 각 세그멘트에 시점-의존 측면에서최적의 비트량을 각각 할당하여 엔트로피 부호기(307)로 제공한다.
엔트로피 부호기(307)는 시점-의존 비율-왜곡 최적화부(306)로부터 제공되는 최적의 비트량이 각각 할당된 각 세그멘트를 아리스메틱 코더(arithmetic coder)를 사용해서 압축하여 전송한다.
도 4는 도 3에서 압축된 데이터를 복호화하는 복호기의 일 실시예를 나타낸 블록도로, 기저 메쉬 복호기(401), 엔트로피 복호기(402), 부가 정보 추출부(403), SPIHT 복호기(404), 가산기(405), 및 웨이블릿 합성변환(synthesis transform)부(406)로 구성된다.
동 도면에 있어서, 우선 도 3과 같은 압축 및 전송 장치에서 시점-의존 압축 및 전송을 가능하게 하도록 하기 위하여 사용자의 시점 정보를 피드백 채널(feedback channel)을 통해 도 3의 시점-의존 비율-왜곡 최적화부(306)로 보낸다.
기저 메쉬 복호기(401)는 도 3과 같은 부호기에서 압축된 노말 메쉬 정보 중에 기저 메쉬 정보를 받아 기존의 불규칙한 메쉬 복호기들을 이용하여 복원한다.
엔트로피 복호기(402)는 도 3과 같은 압축 및 전송 장치에서 압축된 노말 메쉬 정보 중에 상위 레벨의 웨이블릿 계수 정보를 받아 이에 대한 압축 비트스트림을 엔트로피 복호하여 SPIHT 복호기(404)로 제공한다.
부가 정보 추출부(403)는 각 세그멘트에 시점-의존 비율-왜곡 최적화를 통하여 할당된 비트량들에 대한 부가정보를 추출하여 SPIHT 복호기(404)로 제공한다.
SPIHT 복호기(404)는 엔트로피 복호기(402)로부터 제공되는 엔트로피 복호된압축 비트스트림 및 부가 정보 추출부(403)로부터 제공되는 부가정보를 받아 복호화를 수행하여 가산기(405)로 제공한다.
가산기(405)는 복호화를 통하여 복원된 기저 메쉬와 상위 레벨의 웨이블릿 계수들을 합쳐서 웨이블릿 합성변환부(406)로 제공한다.
웨이블릿 합성변환부(406)는 웨이블릿 합성변환을 하여 노말 메쉬를 복원한다.
상술한 세그멘트 독립분할부(304)에서 노말 메쉬를 여러 개의 세그멘트들로 나누고, SPIHT 부호기(305)에서 각 세그멘트를 독립적으로 부호화한다. 모든 웨이블릿 계수를 전체적으로 부호화하는 기존의 기법과는 달리 이들을 여러 세그멘트로 분할하고 독립적으로 부호화 함으로써 서버-사용자간 상호 통신 환경에서 사용자의 시점을 고려하여 각 세그멘트의 압축 정도를 다르게 하여 전송할 수 있다. 노말 메쉬의 세그멘트 분할은 불규칙한 메쉬에 비해 간단하고 조직적이다. 본 발명에서는 도 5와 같은 기존 에지-기반의 제로트리 계층구조를 이용한다. 간략화된 메쉬로부터 첫 번째 리메싱 레벨의 꼭지점을 루트로 하는 각각의 제로트리를 하나의 세그멘트로 보고 독립적으로 처리한다.
본 발명에서는 노말 메쉬 데이터에 대한 시점-의존 전송을 가능하게 하기 위하여, 사용자의 시점과 각 꼭지점의 노말 벡터를 이용하여 가시성 중요도(visibility priority)를 계산한다. 도 6은 하나의 시점에 대한 시점-의존 처리를 나타낸 도면으로, 시점-의존 전송의 원리를 도시한다. 사용자의 시점이 σ에 놓여 있을 때,에서까지의 굵은 선은 물체의 보이는 영역을 나타낸다. 서버에서는 사용자에게 보이는 부분에 대한 데이터를 주로 전송함으로써, 전송 대역폭을 상당히 줄일 수 있다. 사용자의 시점 정보는 피드백 채널을 통하여 서버에 전달된다. 이 정보를 가지고 노말 메쉬의 꼭지점 ν에 대한 가시성을 꼭지점 노말 벡터와 물체의 중심에서 시점 σ에 이르는 벡터로 판단한다.를와사이의 각도라고 할 때,가 0에 가까워질수록 ν는 사용자에게 보다 잘 보이게 되고,가보다 크면 ν는 보이지 않게 된다. 따라서 꼭지점 ν의 자가 중요도(self priority) Vs(ν,σ)는 수학식 1과 같이 정의된다.
그러나 노말 메쉬에서는 서브디비전 계층 구조에 따라 하위 레벨 꼭지점의 위치 오차는 상위 레벨 꼭지점들에 전파된다. 도 7a는 버터플라이(butterfly) 서브디비전 구조와 가중치를 나타낸 도면으로, 새롭게 삽입되는 꼭지점 ν의 위치는, 인접한 8개의 하위 레벨 꼭지점의 위치들의 가중치 합으로 예측한다. 도 7b는 l레벨의 꼭지점이 영향을 미치는 l+1레벨의 꼭지점들을 나타낸 도면으로,에 대한 버터플라이 가중치는 각각 1/2, 1/8, -1/16이고,의 형상 왜곡은 가중치만큼으로 전파된다. 본 발명에서는 버터플라이 서브디비전 기법에 기반하여 시점-의존 왜곡 모델을 개발한다. 시점-의존 왜곡은 가시성 중요도를 형상 왜곡에 고려하여 정의한다. 먼저 버터플라이 서브디비전의 형상 왜곡 전파 효과를 고려하여 꼭지점의 전체 가시성 우위는 아래와 같이 최상위 레벨부터 최하위 레벨까지 재귀적으로 정의할 수 있다.
을 처음 m개의 패킷들을 이용하여 복원한 Ck의 시점-의존 왜곡이라 하면 이것은 수학식 2와 같이의 원래의 웨이블릿 계수와 복원된 계수과를 이용하여 수학식 3과 같이 계산한다.
본 발명에서는 비율-왜곡 최적화 기법을 사용하여 노말 메쉬의 각 세그멘트에 시점-의존 측면에서 최적의 비트량을 할당하여 데이터를 압축 및 전송한다. 각각의 세그멘트 또는 제로트리를 부호화할 때는 기존의 2차원 영상 부호화에 널리 사용되는 SPIHT 알고리듬을 사용한다. SPIHT 알고리듬에서 중요도(significance) 부호화와 크기 세밀화(magnitude refinement) 부호화의 마지막 비트들을 각 세그멘트의 압축 비트스트림에 대한 절단점으로 정의하고, 인접한 두 절단점 사이의 비트열을 패킷으로 정의한다. Ck를 k번째 세그멘트로,을 Ck의 m번째 패킷이라고 하자.을 처음 m개의 패킷들에 대한 누적된 비트량,을 처음 m개의패킷들을 이용하여 복원한 Ck의 시점-의존 왜곡이라고 하자. 그러면, 패킷은 수학식 4와 같은 비율과 왜곡 관계에 있다.
Rtotal을 k=1,2,...,N인 모든 세그멘트 Ck에 대한 전체 비트 용량이라고 할 때, 최적화 문제는조건하에서을 최소화하는 m(k)집합을 찾는 것이다. 이 집합을 찾기 위하여 수학식 5와 같이 비용 함수(cost function)를 최소화시킨다.
여기서 λ는 라그랑제 승수(Lagrange multiplier)라고 한다. λ를 변화시키면서, 비율 제한 조건을 만족하는 최적의 해를 구할 수 있다.
본 발명에서는 기존의 에지-기반의 제로트리 구조에 대한 개선된 제로트리 구조를 개발한다. 도 5에 도시된 기존의 제로트리 구조는 각각의 제로트리가 기저 메쉬의 삼각형 내에서 중첩되는 단점을 지니고 있다. 기존의 제로트리보다 노말 메쉬의 부분적인 특징을 잘 반영하도록 하는 두 개의 개선된 제로트리 구조를 개발한다. 도 8a는 가위 형태의 제로트리 구조를 나타낸 도면이고, 도 8b는 화살 형태의 제로트리 구조를 나타낸 도면이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 노말 메쉬를 여러 개의 세그멘트들로 나누고, 각 세그멘트를 독립적으로 부호화함으로써 노말 메쉬 데이터를 시점-의존 압축 및 전송할 수 있다. 꼭지점 노말 벡터를 이용하여 가시성 중요도를 계산하고, 이를 이용하여 버터플라이 서브디비전 기법에 기반한 시점 의존 왜곡 모델을 개발함으로써 비율-왜곡 최적화에 왜곡 모델로 사용할 수 있다. 시점-의존 측면에서 비율-왜곡 최적화 기법을 사용하여 노말 메쉬의 각 세그멘트에 최적의 비트량을 할당하여 데이터를 압축 및 전송할 수 있다. 노말 메쉬에 대한 개선된 제로트리 구조를 개발함으로써 보다 효율적으로 노말 메쉬를 분할할 수 있다. 본 발명의 부호화 기법을 사용하여 서버-사용자간 상호 통신 환경하에서 사용자의 시점을 고려하여 3차원 준-균일 메쉬, 특히 노말 메쉬 데이터의 압축과 전송을 효율적으로 수행할 수 있고, 다양한 3차원 데이터의 응용 분야에 널리 쓰일 수 있다.

Claims (1)

  1. 3차원 노말 메쉬 데이터를 압축 및 전송하는 장치로서,
    제공되는 불규칙한 메쉬를 준-균일 메쉬로 리메싱하는 노말 리메싱부와,
    상기 노말 리메싱부로부터 제공되는 준-균일 메쉬를 웨이블릿 분해변환해서 기저 메쉬와 상위 레벨의 웨이블릿 계수들로 분해하는 웨이블릿 분해변환부와,
    상기 웨이블릿 분해변환부로부터 제공되는 기저 메쉬를 불규칙한 기저 메쉬 부호기들을 이용하여 압축하는 기저 메쉬 부호기와,
    상기 웨이블릿 분해변환부로부터 제공되는 상위 레벨의 웨이블릿 계수들을 여러 세그멘트들로 독립적으로 나누는 세그멘트 독립분할부와,
    상기 세그멘트 독립분할부로부터 제공되는 다수의 세그멘트들을 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화하는 SPIHT 부호기와,
    상기 SPIHT 부호기로부터 제공되는 SPIHT 알고리듬으로 독립적으로 각기 부호화된 각 세그멘트에 상대 복호기에서 전송된 사용자의 시점 정보를 사용하여 시점-의존 측면에서 최적의 비트량을 각각 할당하는 시점-의존 비율-왜곡 최적화부와,
    상기 시점-의존 비율-왜곡 최적화부로부터 제공되는 최적의 비트량이 각각 할당된 각 세그멘트를 아리스메틱 코더를 사용하여 압축하는 엔트로피 부호기
    를 포함하는 시점-의존 처리를 이용한 3차원 노말 메쉬 데이터 압축 및 전송 장치.
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